关于STM32的GPIO输入、输出模式与配置方法

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前言

我们在学习STM32的过程中，有时候会遇到原理不清楚的问题，所以本篇文章将对GPIO的输入输出模式与配置方法进行简单的介绍，方便各位同学理解与使用。
注：本文部分图片来自于*STM32F10xxx参考手册。

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、GPIO的功能描述

每个GPIO端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器(GPIOx_ IDR和GPIOx_ ODR)，一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_ BSRR)，一个16位复位寄存器(GPIOx_ BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_ LCKR)。
根据数据手册中列出的每个I/O端口的特定硬件特征，GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。

-输入浮空
-输入上拉
-输入下拉
-模拟输入
-开漏输出
-推挽式输出
-推挽式复用功能
-开漏复用功能

二、GPIO的四种输入模式

当IO口配置为输入时：

• 输出缓冲器被禁止
• 施密特触发输入被激活
• 根据输入配置(上拉，下拉或浮动)的不同，弱上拉和下拉电阻被连接
• 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器
• 对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

1.GPIO浮空输入_IN_FLOATING

浮空模式下CPU可以读取到外部输入的高或低电平。

输入信号经过施密特触发器接入输入数据存储器。当无信号输入时，电压不确定。
可以认为输入端口阻抗无穷大，这样可以方便检测到微弱的信号。此时输入高电平即高电平，输入低电平即低电平。但是外界没有输入时输入电平却容易受到外界电磁干扰的影响。

如：按键采用浮空输入，则在按键按下时输入电平为低，但是当松开按键时输入端口悬空，外界有微弱的干扰都会被端口检测到。此时端口可能高，也可能低。

2.GPIO上拉输入_IPU

与上一部分的浮空输入模式相比，仅仅是在数据通道上面，接入了一个上拉电阻。

根据STM32的数据手册，这个上拉电阻阻值介于30K~50K 欧姆。
同样，CPU可以随时在“输入数据寄存器”的另一端，通过内部的数据总线读出I/O 端口的电平变化的状态。

无输入信号时端口电平被拉到高电平。
例如按键信号，当按下时输入低电平，松开时电平被拉到高电平。这样就不会出现按键松开时端口电平不确定的情况。即不知道时按下还是松开。

3.GPIO下拉输入_IPD

对于下拉模式的输入，其实是在数据通道的下部，接入了一个下拉电阻。

根据STM32的数据手册，这个下拉电阻阻值也是介于30K~50K 欧姆。

浮空输入在外界没有输入时状态不确定，可能对电路造成干扰。为了使得电路更加稳定，不出现没有输入时端口的输入数据被干扰 （比如手碰一下电压就发生变化）。
这时就需要下拉（上拉）电阻。此电阻与端口输入阻抗相比仍然较小。有输入信号时端口读取输入信号，无输入信号时端口电平被拉到低（高）电平。
当单片机的IO口作输出时，如果不接上拉电阻只能提供灌电流。无法输出电流驱动外接设备。这时也需要考虑上拉电阻。这样才可以使IO输出高电平。

4.GPIO模拟输入_AIN

如果把STM32配置为模拟输入模式时，工作原理就十分简单了，信号从左边编号为1 的端口进从右边编号为2的一端直接进入STM32单片机的AD模块。

输入信号不经施密特触发器直接接入，输入信号为模拟量而非数字量，其余输入方式输入数字量。

以上分析的是GPIO的输入模式，下面分析它的输出模式。

三、GPIO的四种输出模式

当I/O端口被配置为输出时:

• 输出缓冲器被激活
  ——开漏模式：输出寄存器上的‘0’激活N-MOS，而输出寄存器上的‘1’将端口置于高阻状态(P-MOS从不被激活)。
  ——推挽模式：输出寄存器上的‘0’激活N-MOS，而输出寄存器上的‘1’将激活P-MOS。
• 施密特触发输入被激活
• 弱上拉和下拉电阻被禁止
• 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器
• 在开漏模式时，对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态
• 在推挽式模式时，对输出数据寄存器的读访问得到最后–次写的值。
  

当I/O口被配置为复用时：

• 在开漏或推挽式配置中，输出缓冲器被打开
• 内置外设的信号驱动输出缓冲器(复用功能输出)
• 施密特触发输入被激活
• 弱上拉和下拉电阻被禁止
• 在每个APB2时钟周期，出现在I/O脚上的数据被采样到输入数据寄存器
• 开漏模式时，读输入数据寄存器时可得到I/O口状态
• 在推挽模式时，读输出数据寄存器时可得到最后一次写的值

1.GPIO开漏输出_OUT_OD

开漏输出即漏极开路输出。需要接上拉电阻才能输出1

开漏输出高电平时是由外接电源输出的，因此可以实现高于输出端口电压的输出。可以实现电平的转换。开漏输出可以实现线与功能，方法是多个输出共接一个上拉电阻。但是漏极开路输出上升沿慢，因为上升沿是外接电源对上拉电阻以及外接负载充电。

2.GPIO推挽输出_OUT_PP

GPIO的推挽输出模式是在开漏输出模式的基础上，在“输出控制电路”之后，增加了一个P-MOS管

当CPU输出逻辑“1 ”时，编号3 处的P-MOS管导通，而下方的N-MOS管截止，达到输出高电平的目的

当CPU输出逻辑“0 ”时，编号3 处的P-MOS管截止，而下方的N-MOS管导通，达到输出低电平的目的

在这个模式下，CPU 仍然可以从“输入数据寄存器”读到该IO端口电压变化的信号

3.GPIO开漏复用输出_AF_OD

GPIO的开漏复用输出模式与开漏输出模式的工作原理基本相同

不同的是编号为2的输入源不同，它是和复用功能的输出端相连

此时的“输出数据寄存器”被输出通道给断开了。

同样，CPU也可以从“输入数据寄存器”读取到外部IO端口变化的电平信号。

4.GPIO推挽复用输出_AF_PP

编号2 “输出控制电路” 输入与复用功能的输出端相连

此时“输出数据寄存器”被从输出通道断开了，片上外设的输出信号直接与“输出控制电路”的输入端想连接。

在将GPIO配置成复用输出功能后，假如相应的外设模块没有被激活，那么此时IO端口的输出将不确定。

四、GPIO的配置方法

1.定义GPIO引脚的结构体变量

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

2.配置引脚的速度

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);

3.初始化结构体的变量

（1）引脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;

（2）速度

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

（3）模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

模式的配置介绍：

一个IO口需要4个bit来控制:
CNF MODE CNF MODE
00 00 ~ 11 11
也就是十六进制的 0x 0 ~ 0x F

其中MODE是设置输入输出模式::

• 00:输入(复位后的状态)
• 01:输出,最大速度10MHz
• 10:输出,最大速度2MHz
• 11:输出,最大速度50MHz

而CNF是在MODE的基础上选择更细分的模式：

（1）当MODE为00,即输入模式下:

• 00:模拟输入
• 01:浮空输入
• 10:上拉/下拉输入
• 11:保留

（2）当MODE为01,10,11,即输出模式时：

• 00:推挽输出
• 01:开漏输出
• 10:复用推挽输出
• 11:复用开漏输出

4.初始化对应的端口

 GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
 GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);

（1） 作为普通GPIO输入：
根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
（2） 作为普通GPIO输出：
根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
（3） 作为普通模拟输入：
配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。(A/D模拟输入)
（4） 作为内置外设的输入：
根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。
（5）作为内置外设的输出：
根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。